趙雋

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京 100081）

0 引言

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路重要的行車設(shè)備，在保障鐵路運輸安全、提高運輸效率、降低運輸能耗等方面發(fā)揮著重要作用，我國電力牽引完成運輸任務(wù)占比80%以上［1］。截至2019年底，全國鐵路營業(yè)里程13.9萬km以上，其中高鐵3.5 萬km；電氣化里程10.0 萬km，電化率 71.9%［2］。

電力機(jī)車、電動車組均采用受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，接觸網(wǎng)在空間的布置要滿足受電弓動態(tài)包絡(luò)線的要求，即在任何狀態(tài)下都能實現(xiàn)受電弓安全、平順、無障礙地滑動取電受流。

接觸網(wǎng)動態(tài)檢測通常采用綜合檢測列車、接觸網(wǎng)檢測車按照運行圖進(jìn)行，檢測數(shù)據(jù)用于評價接觸網(wǎng)運行條件下的動態(tài)狀態(tài)。接觸網(wǎng)是由承力索-接觸線與腕臂等支撐結(jié)構(gòu)組成的柔性機(jī)械懸掛系統(tǒng)，在受電弓作用下發(fā)生抬升振動，因此靜態(tài)與動態(tài)參數(shù)差異較大。

弓網(wǎng)關(guān)系及其檢測技術(shù)始終是國內(nèi)外研究的熱點。方巖［3］結(jié)合接觸網(wǎng)設(shè)計及受電弓特征，研究了接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何參數(shù)確定依據(jù)。安英霞［4］研究了接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何參數(shù)偏差對弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響。周威等［5］研究了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量中的車輛振動補(bǔ)償方法，實現(xiàn)了車輛相對鋼軌平面的空間姿態(tài)參數(shù)的光學(xué)非接觸式測量。劉寅秋等［6］研究了通過弓網(wǎng)視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像識別處理，提取并計算接觸網(wǎng)動態(tài)高度以及拉出值等參數(shù)的方法。上述研究偏重于弓網(wǎng)關(guān)系及測量方法，缺少對檢測標(biāo)準(zhǔn)的探討。

為了更好地應(yīng)用檢測數(shù)據(jù)，深入理解接觸網(wǎng)“動態(tài)”與“靜態(tài)”差異性內(nèi)涵，更好地指導(dǎo)設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修工作，有必要對現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析說明。

1 接觸網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求

1.1 幾何參數(shù)術(shù)語定義

TB/T 1677—1997《電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)術(shù)語》［7］、TB/T 3271—2011《軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》［8］對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的術(shù)語定義如下：

（1）拉出值：接觸線在定位點對受電弓中心線的偏移量。

（2）接觸線高度：接觸線底面至軌面連線的垂直距離。

1.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求

TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［9］適用于新建設(shè)計速度為250～350 km/h、運行動車組列車的標(biāo)準(zhǔn)軌距客運專線鐵路，該標(biāo)準(zhǔn)對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)設(shè)計要求為：“接觸線懸掛點高度不宜小于5 300 mm，最低點高度不宜小于5 150 mm”“正線接觸線在最大風(fēng)速時對受電弓中心的偏移不宜大于450 mm，困難條件下直線地段不應(yīng)大于500 mm”。

TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》［10］適用于單相工頻、接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓為25 kV的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路電力牽引供電工程，該標(biāo)準(zhǔn)對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)設(shè)計要求為：“接觸線距離軌面高度不應(yīng)大于6 500 mm，雙層集裝箱不應(yīng)小于6 330 mm”“直線區(qū)段，接觸線應(yīng)按之字形布置，支柱處的拉出值宜采用200 ～300 mm；曲線區(qū)段，接觸線一般由受電弓中心向外側(cè)拉出，并宜使接觸線與受電弓中心點的軌跡相割”。

1.3 施工要求

TB 10421—2018《鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》［11］適用于新建和改建設(shè)計速度為200 km/h及以下鐵路電力牽引供電工程施工，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“接觸線懸掛點距軌面的高度應(yīng)符合設(shè)計文件要求，且不應(yīng)大于6 500 mm，施工允許偏差±30 mm”“接觸線拉出值的布置應(yīng)符合設(shè)計文件要求，允許偏差±30 mm，在任何情況下工作支接觸線偏移值（相對于受電弓中心）不宜大于400 mm”。

TB 10758—2018《高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》［12］適用于新建高速鐵路，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“接觸線懸掛點距軌面的高度應(yīng)符合設(shè)計文件要求，允許偏差±30 mm”“接觸線拉出值的布置應(yīng)符合設(shè)計文件要求，允許偏差±30 mm”。

1.4 運營要求

我國電氣化鐵路維修規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)基于最大長度為1 950 mm 的受電弓弓頭制定，該弓頭輪廓符合UIC 608 4A 及IEC 62486 附件B type 1 弓頭規(guī)定，適合國際鐵路間互聯(lián)互通要求，其外形輪廓見圖1。

圖1 接觸網(wǎng)維修規(guī)則參考的受電弓弓頭輪廓

TG/GD 124—2015《高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》［13］適用于工頻、單相、交流25 kV，列車運行速度200 km/h 及以上和200 km/h 以下僅運行動車組的鐵路，該規(guī)則以故障預(yù)測與健康管理（Prognostics Health Management，PHM）理論為基礎(chǔ)，結(jié)合維修規(guī)程制定了標(biāo)準(zhǔn)值、警示值和限界值3種接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)量值，并規(guī)定了設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，在維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：“接觸線拉出值（含最大風(fēng)偏時的跨中偏移量）標(biāo)準(zhǔn)值為設(shè)計值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)值±30 mm，警示值為400 mm，限界值為450 mm”“接觸線高度標(biāo)準(zhǔn)值為設(shè)計值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)值±30 mm，警示值為標(biāo)準(zhǔn)值±60 mm，限界值為標(biāo)準(zhǔn)值±100 mm且小于6 500 mm”。

TG/GD 116—2017《普速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》［14］適用于工頻、單相、交流25 kV，列車運行速度200 km/h以下鐵路（僅運行動車組的線路除外），在維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：“接觸線拉出值（含最大風(fēng)偏時的跨中偏移值）標(biāo)準(zhǔn)值為設(shè)計值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)值±30 mm，警示值為400 mm，限界值為450 mm”“接觸線高度標(biāo)準(zhǔn)值為設(shè)計值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)值±30 mm，警示值為標(biāo)準(zhǔn)值±100 mm，限界值為標(biāo)準(zhǔn)值±200 mm，上限為6 500 mm，下限為任何情況下不低于該區(qū)段允許的最低值”。

2 機(jī)車及受電弓

我國電力機(jī)車經(jīng)過幾十年發(fā)展，形成了20 余種交-直傳動“韶山”系列產(chǎn)品。2004年，原鐵道部組織國內(nèi)各工廠與國外企業(yè)合作，聯(lián)合設(shè)計、制造了6 種HXD 系列大功率交流傳動機(jī)車，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了交流傳動機(jī)車的自主開發(fā)，完成了我國鐵路機(jī)車交流傳動系統(tǒng)的技術(shù)升級［15］。電力機(jī)車采用的受電弓型號主要為TSG3、TSG15和DSA200。

自2007 年我國通過引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，研制了“和諧號”CRH 系列動車組，近年來我國鐵路按照中國標(biāo)準(zhǔn)組織開展“復(fù)興號”CR 系列新一代動車組研制。截至2019年底，全路動車組保有量為3 665標(biāo)準(zhǔn)組，電力機(jī)車1.37萬臺［2］；CR 復(fù)興號系列動車組達(dá)850 組，占動車組保有量的22.8%。我國動車組采用的受電弓型號為DSA250、DSA380、SSS400+/TSG19、CX系列等。

GB/T 21561.1—2018《軌道交通機(jī)車車輛受電弓特性和試驗第1部分：干線機(jī)車車輛受電弓》和TB/T 3271—2011《軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》（IEC 62486：2010，MOD）指出，我國干線鐵路受電弓輪廓應(yīng)符合附錄圖A.15的要求。為了便于分析，將目前主要應(yīng)用的電力機(jī)車、受電弓類型、受電弓滑板工作范圍等信息進(jìn)行匯總（見表1）。

由表1可知，我國電力機(jī)車、動車組采用的受電弓型號有較大差異，受電弓垂向工作范圍、滑板工作范圍均不相同。其中電力機(jī)車受電弓滑板工作范圍主要為1 250 mm，動車組受電弓滑板工作范圍為1 050 mm 和1 250 mm兩種。受電弓垂直范圍工作高度各不相同，主要范圍為500～2 500 mm，受電弓在工作中應(yīng)保持良好的動態(tài)性能。特殊的如CRH2型動車組，因車體高度較低（3 700 mm），為滿足在客貨共線鐵路運行要求，經(jīng)科研試驗后，對其加裝絕緣子支撐（見圖2）。

3 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法及標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國鐵路設(shè)計、施工、運營等單位對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的概念已形成基本共識，為了更好地應(yīng)用檢測數(shù)據(jù)，深入理解“動態(tài)”與“靜態(tài)”的作用與內(nèi)涵，更有效地指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修，需對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析說明。

表1 我國主要電力機(jī)車、動車組受電弓情況

圖2 CRH2型動車組加裝絕緣子支撐

3.1 靜態(tài)值檢測

“靜態(tài)”是指接觸網(wǎng)不受受電弓抬升力作用，且處于靜止的狀態(tài)。接觸網(wǎng)幾何參數(shù)靜態(tài)值的測量用于評價施工質(zhì)量是否符合設(shè)計要求。

通常的檢測方法采用“非接觸式”檢測裝置，基本方法是結(jié)構(gòu)光學(xué)的視覺測量或雷達(dá)掃描，并用補(bǔ)償系統(tǒng)測量車體姿態(tài)與軌道平面之間的空間位置，實現(xiàn)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的靜態(tài)測量［16］。

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)“非接觸式”檢測裝置主要安裝在高鐵接觸網(wǎng)檢測車、高鐵綜合巡檢車（4C檢測裝置）和高速綜合檢測列車，其中高鐵接觸網(wǎng)檢測車、高鐵綜合巡檢車無檢測受電弓，檢測過程中不會對接觸網(wǎng)進(jìn)行擾動。高鐵綜合巡檢車見圖3。

圖3 高鐵綜合巡檢車

需要注意的是，高速綜合檢測列車安裝的檢測裝置在測量接觸網(wǎng)幾何參數(shù)靜態(tài)值時，其使用條件規(guī)定：“為了避免取流受電弓與接觸網(wǎng)之間的相互作用擾動接觸線，升運行方向后方受電弓取流，并以不超過60 km/h 的速度勻速運行”，此時檢測裝置在運行受電弓的前方。經(jīng)試驗驗證，60 km/h 勻速運動時的接觸線抬升量小，振動幅度低，檢測裝置距離受電弓大于40 m（多種綜合檢測列車的檢測裝置空間布置不同，其中最短距離40 m），受電弓運行不會影響到接觸網(wǎng)的幾何狀態(tài)，典型運用方式見圖4。

圖4 高速綜合檢測列車接觸網(wǎng)幾何參數(shù)靜態(tài)檢測典型運用方式

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)靜態(tài)值評價主要依據(jù)TB 10758—2018《高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》第5.16 項“懸掛調(diào)整”和TG/GD 124—2015《高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》中維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定：

（1）接觸線拉出值標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計值±30 mm；

（2）接觸線高度標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計值±30 mm；

（3）兩相鄰定位點的高差標(biāo)準(zhǔn)：±20 mm；

（4）兩相鄰吊弦的高差標(biāo)準(zhǔn)：±10 mm。

根據(jù)靜態(tài)檢測結(jié)果，接觸網(wǎng)設(shè)備運用管理單位應(yīng)及時進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核及調(diào)整，保證設(shè)備狀態(tài)良好。

3.2 動態(tài)值檢測

“動態(tài)”是指受到受電弓抬升力作用的接觸線狀態(tài)。接觸網(wǎng)幾何參數(shù)動態(tài)值檢測用于評價設(shè)計及維護(hù)是否符合安全運行要求。

檢測方法分為接觸式和非接觸式，接觸式在受電弓弓頭安裝傳感器；非接觸式的應(yīng)用重點在于，要在受電弓弓頭附近的位置安裝測量，同時不應(yīng)進(jìn)行車體補(bǔ)償信號計算，實現(xiàn)以受電弓坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的測量。

接觸網(wǎng)動態(tài)檢測標(biāo)準(zhǔn)在TG/GD 124—2015《高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》和TG/GD 116—2017《普速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》進(jìn)行了明確規(guī)定。將高速鐵路和普速鐵路相關(guān)檢測評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匯總（見表2），其中數(shù)據(jù)評價以接觸網(wǎng)的“跨”為基本單元。

從表2可以看出，高速鐵路和普速鐵路的接觸網(wǎng)動態(tài)檢測評價略有差異，具體為：

（1）拉出值方面，考慮電力機(jī)車受電弓滑板工作范圍為1 250 mm，而動車組受電弓滑板工作范圍最小為1 050 mm，同時普速與高鐵線路的曲線半徑及超高對車輛姿態(tài)及受電弓動態(tài)包絡(luò)線影響不同，因此拉出值一級缺陷設(shè)置略有差異。

（2）接觸線高度方面，考慮接觸網(wǎng)的張力組合、受電弓-接觸網(wǎng)間弓網(wǎng)接觸力在高速、低速差異明顯，導(dǎo)致接觸線抬升量不同。同時由于普速鐵路多采用有砟軌道，作業(yè)調(diào)整頻繁，高速鐵路多采用無砟軌道，維修作業(yè)少，基準(zhǔn)高度變化小，因此接觸網(wǎng)高度的一級、二級缺陷各擋位設(shè)置略有不同。

表2 接觸網(wǎng)動態(tài)值檢測評價標(biāo)準(zhǔn)

4 檢測實例

4.1 商合杭高鐵接觸網(wǎng)概況

商合杭高鐵合肥—湖州段正線接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，導(dǎo)線組合JTMH120+CTMH150，張力組合23.0 kN+28.5 kN，接觸線懸掛點高度5 300 mm，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度1 600 mm；蕪湖—宣城段正線接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛，網(wǎng)導(dǎo)線組合JTMH120+CTMH150，張力組合20 kN+25 kN；接觸線懸掛點高度5 500 mm，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度1 600 mm。

4.2 靜態(tài)值檢測

在商合杭高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)值檢測。該錨段關(guān)節(jié)處拉出值設(shè)計值為350 mm，實測值為403 mm（灰色），檢測結(jié)果顯示施工誤差大于±30 mm，經(jīng)施工單位精調(diào)維護(hù)后，調(diào)整為360 mm（藍(lán)色），滿足設(shè)計要求。維修前后檢測波形對比見圖5。

4.3 動態(tài)值檢測

動態(tài)值檢測的運行速度為250 km/h，檢測出接觸線高度動態(tài)值二級缺陷，該位置為跨中吊弦點，設(shè)計高度5 500 mm，動態(tài)缺陷值為5 605 mm，同時伴生了弓網(wǎng)接觸力二級缺陷，數(shù)值為281 N；經(jīng)過維修單位現(xiàn)場復(fù)核并進(jìn)行整治，維修后動態(tài)檢測接觸線高度動態(tài)值為5 578 mm，同時弓網(wǎng)接觸力二級缺陷消失，為220 N。維修后（藍(lán)色）與維修前（灰色）接觸線高度檢測波形對比見圖6，維修后接觸線平順性得到相應(yīng)改善。

圖5 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)維修前后靜態(tài)值檢測波形對比

圖6 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)維修前后動態(tài)值檢測波形對比

5 結(jié)束語

對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的術(shù)語定義以及設(shè)計、施工和運營標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，明確了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)相關(guān)技術(shù)要求；通過對我國電力機(jī)車受電弓參數(shù)的整理，分析其與接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的適應(yīng)關(guān)系；對接觸網(wǎng)檢測方法及檢測評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述分析；并通過典型檢測案例，表明我國現(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性及實用性。